粉末冶金成型

6.注射成形技术
Injection molding technology
金属粉末注射成形技术是随着高分子材料的应用 而发展起来的一种新型固结金属粉、金属陶瓷粉和陶 瓷粉的特殊成形方法。它是使用大量热塑性粘结剂与 粉料一起注入成形模中，施于低而均匀的等静压力， 使之固结成形，然后脱粘结剂烧结。
5.注射成形技术
温压成型技术特点
其与传统模压工艺主要区别之处在于压制过程中将粉末和 模具加热到一定的温度，温度通常设定在130~150℃范围以 内，可使铁基粉末冶金零件密度提高0.15～0.4g/cm3，粉末 压坯相对密度可达到98-99%。 为了充分发挥在压制过程中的颗粒重排和塑性变形等温压 致密化机制，往往需要优化原料粉末设计（如形状、粒度组 成的选择），通过退火或扩散退火处理以改善粉末塑性，以 及往粉末中掺入高性能高温润滑剂（添加量通常0.6wt%）。
模压示意图
压坯密度与压力
压坯密度分布不均匀：
单向压制实验，各层的厚度 和形状均发生了变化，由下右图 可知在任何垂直面上，上层密度 比下层密度大；在水平面上，接 近上模冲的断面的密度分布是两 边大，中间小；而远离上模冲的 截面的密度分别是中间大，两边 小。 因为粉末体在压模内受力后 向各个方向流动，于是引起垂直 于压模壁的侧压力。侧压力引起 摩擦力，会使压坯在高度方向存 在明显的压力降。
(3)适应性较好。流动温压工艺已经用于低 合金钢粉、不锈钢316L粉、纯Ti粉和WC-Co硬 质合金粉末。原则上它可适用于所有的粉末体 系，唯一的条件是该粉末体系须具有足够好的 烧结性能,以便达到所要求的密度和性能。 (4)简化了工艺,降低了成本。
5.冷成形工艺
Cold forming technology
固态
粉末
1、金属（合金）→金属粉末：机械粉碎，电化腐蚀 2、金属氧化物（盐类）→金属粉末：还原法 3、金属＋非金属化合物
→金属化合物粉末：还原－化合法
金属氧化物＋非金属化合物
液态
粉末
1、液态金属（合金）→金属粉末：雾化法 2、金属盐溶液→金属粉末：置换法，溶液氢还原法，水溶液电 解法 3、金属熔盐→金属粉末：熔盐沉淀法，熔盐电法
高速压制特点 高速压制的另一个特点是产生多重冲击 波，间隔约0 3s的一个个附加冲击波将密度 不断提高。这种多重冲击提高密度的一个优 点是,可用比传统压制小的设备制造重达5kg 以上的大零件。 高速压制适用于制造阀座、气门导管、 主轴承盖、轮毂、齿轮、法兰、连杆、轴套 及轴承座圈等产品。
与传统压制相比, 高速压制的优点是： 压制件密度提高，提高幅度在0.3g/cm3左右； 脱模力较低；
这种技术能够制造用常规模压粉末的技术无法制造的 复杂形状结构（如带有螺纹、垂直或高叉孔锐角、多台 阶、壁、翼等）制品，具有更高的材质密度（93%~100% 的理论密度）和强韧性，并具有材质各向同性等特性。目 前该项技术成为粉末冶金领域最具活力的新技术 并已进入 工业化生产阶段。
注射成形技术的应用
金属粉末注射成型技术制作的产品有齿轮汽车部件、通 信器械元件(如手机的情报通信器械和计算机的 OA 器件)、 电动工具、门锁、乐器、医疗器件和缝纫机元件、工业设备 元件和磁性元件、枪支瞄准器支架、手枪退子钩和撞针、窗 户锁扇形块、纺织机的三角块、眼镜框架的柔性铰链、眼镜 脚、手表表壳等。产品都有一个明显的特点：其结构小而复 杂，密度和精度高等。制作材料除铁 镍合金外，还有钛及钛 合金、铝及铝合金、超硬合金和重合金等 。
美国开Biblioteka Baidu出一种能在室温下生产全致密零 件而无需后续烧结的粉末冶金工艺。此工艺称 之为“冷成形粉末冶金”。 它采用特殊配制的活化溶液与革新的进料 靴技术,在压力下精确地将粉末注入模中。加 压输送的进料靴使粉末填充更加均匀,而活性 溶液则防止形成氧化物,从而大大促进了冷焊 效应。
4.冷成形工艺应用 采用这一工艺可制得全致密的接近最终形 状的零件，而压制后无需烧结及机加工。此工 艺采用包覆粉末。但许多市售的金属或非金属 粉末也可使用。目前该工艺的开发工作主要集 中于生产热操作零件，但这一工艺也适用于生 产结构件及其他用途的零件。
单向压制
为了改善压坯密度的不均 匀性，一般采取以下措施： 1 ）减小摩擦力：模具内壁上 涂润滑油或采用内壁更光洁的 模具； 2）采用双向压制以改善压坯密 度分布的不均匀性； 3）模具设计时尽量降低高径比
双向压制
a)填充粉料
b)双向压坯
c)上冲模复位
d)顶出坯块
双向压制粉末冶金坯块工步示意图 粉末的压制一般在普通机械式压力机或液压机上进行。 常用的压力机吨位一般为500～5000kN。
动磁压制的优点: • 由于不使用模具,成型时模壁摩擦减少到0，因而可 达到更高的压制压力,有利于提高产品，并且生产成 本低； •由于在任何温度与气氛中均可施压,并适用于所有材 料,因而工作条件更加灵活； • 由于这一工艺不使用润滑剂与粘结剂,因而成型产 品中不含有杂质，性能较高，而且还有利于环保。
2.高速压制
瑞典开发出粉末冶金用高速压制法。这可能是 粉末冶金工业的又一次重大技术突破。高速压制采 用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处,但关 键是压制速度比传统快500～1000倍,其压头速度高 达2～30m/s,因而适用于大批量生产。液压驱动的 重锤(5～1200kg)可产生强烈冲击波,0.02s内将压 制能量通过压模传给粉末进行致密化。重锤的质量 与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。
¾ 思考题：
纳米粉体的制备方法？(书面作业PPT.)
粉末压制成形新技术
成形是粉末冶金工艺的重要步骤。成形的目的是制得 具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。粉末冶金常用 的成形方法如下所示。模压成形是最基本方法。
成形 无压成形 加压成形
粉浆浇注
模压成形
离心成形
松装烧结
爆炸成形
挤压成形
热压成形
轧制成形
（3）脱模压力小
温压工艺脱模压力(Slide pressure)约为10~20MPa，而常 规工艺却高达55~75MPa，其降低幅度超过60%。低的脱模 压力意味着温压工艺易于压制形状复杂的铁基P/M零件和减 小模具磨损从而延长其使用寿命。
（4）表面精度高
由于温压工艺使压坯密度升高，而且温压中处于粘流态的润 滑剂具有良好的“整平”作用，因此它可以使铁基粉末冶金零 件表面精度提高2个IT等级，使纳米晶硬质合金粉末压坯表 面精度提高3个IT等级。
温压成型技术
温压成型技术优点
（1）密度高且分布均匀 •常规一次压制-烧结最高密度一般为7.1g/cm3左右，温压一 次压制-烧结密度可达到7.40-7.50 g/cm3，温压二次压制-烧 结密度可高达7.6g/cm3左右。温压工艺中高性能润滑剂保 证了粉末与模壁之间具有较低的摩擦系数，使得压坯密度分 布更加均匀，采用温压工艺制备齿轮类零件时齿部与根部间 的密度差比常规压制工艺低0.1～0.2g/cm3。
气态
粉末
1、金属蒸汽→金属粉末：蒸汽冷凝法 2、气态金属羰基物→金属粉末：羰基物热离解法 3、气态金属卤化物→金属粉末：气相氢还原法 4、气态金属卤化物→金属化合物粉末：化学气相沉积法
各种金属粉末的典型制备方法
The methods to fabricate powders
金属 铝 超硬合金 钴 镍 铁 贵金属（如银） 复合材料（如Al-SiC） 常用方法 空气雾化，气体雾化，研磨 研磨，超微碾磨 氧化还原，湿法冶金，化学沉淀 机械合金化，等离子雾化 羰基分解，电解，水雾化 氧化还原，水雾化，电解， 空气雾化，电解，化学沉淀
传统压制技术的局限： 1、模具要求高，占用生产成本比例大； 2、所加工部件尺寸受到限制； 3、部件密度分布不均匀； 4、脱模困难，工序长，生产效率低。
1.动磁压制技术
原理:将粉末装于一个导电的容 器(护套)内,置于高强磁场线圈 的中心腔中。对线圈通入高脉 冲电流,线圈腔中形成磁场,护套 内产生感应电流。感应电流与 施加磁场相互作用,产生由外向 内压缩护套的磁力,因而粉末得 到二维压制。整个压制过程不 足1ms。
◆
◆ 压制件抗拉强度可提高20%～25%； ◆ 高速压制压坯径向弹性后效很小, ◆ 高速压制的密度较均匀,
其偏差小于0.01g/cm3。
3.温压成型技术
温压技术是近几年新发展的一项新技术。它是在 混合物中添加高温新型润滑剂，然后将粉末和模具加 热至423K左右进行刚性模压制，最后采用传统的烧结 工艺进行烧结的技术，是普通模压技术的发展与延 伸，被国际粉末冶金界誉为 “开创铁基粉末冶金零部 件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新型成 型技术。
（2）生坯强度高
常规工艺的生坯强度约为10~20MPa，温压压坯的强度则为 25~30MPa，提高了1.25-2倍。生坯强度的提高可以大大降 低产品在转移过程中出现的掉边、掉角等缺陷，有利于制备 形状复杂的零件；同时，还有望对生坯直接进行机加工，免 去烧结后的机加工工序，降低了生产成本。这一点在温压烧结连杆制备中表现得尤为明显。
2.压制成形
压模压制是将置于压模内的松散粉 末施加一定的压力后，成为具有一定 尺寸、形状和一定密度、强度的压 坯。 粉末的压缩过程一般采用压坯密 度 —— 成形压力曲线来表示。压坯密 度变化分为三个阶段。滑动阶段：在 压力作用下粉末颗粒发生相对位移， 填充孔隙，压坯密度随压力增加而急 剧增加；二是粉末体出现压缩阻力， 即使再加压其孔隙度不能再减少，密 度不随压力增高而明显变化；三是当 压力超过粉末颗粒的临界压力时，粉 末颗粒开始变形，从而使其密度又随 压力增高而增加。
流动温压工艺主要特点: (1)可成形零件的复杂几何形状。国外已利用 常规温压工艺成功制备出了一些形状较复杂的粉 末冶金零件,如汽车传动转矩变换器涡轮毂、连杆 和齿轮类零件等。 (2)密度高、性能均一。流动温压工艺由于松 装密度较高,经温压后的半成品密度可以达到很高 的值。由于流动温压工艺中粉末的良好流动性,由 此得到的材料密度也更加均匀。
流动温压技术的关键是提高混合粉末的流动性，主要通过 两种方法来实现： 第一种方法是:向粉末中加入精细粉末。这种精细粉末能够 填充在大颗粒之间的间隙中,从而提高了混合粉末的松装密度。 第二种方法是:比传统粉末冶金工艺加入更多的粘结剂和润 滑剂,但其加入量要比粉末注射成形少得多。粘结剂或润滑剂的 加入量达到最优化后,混合粉末在压制中就转变成一种填充性很 高的液流体。
4.流动温压技术 流动温压技术以温压技术为基础,并结合了金 属注射成形的优点,通过加入适量的微细粉末和 加大润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动 性、填充能力和成形性。 这一工艺是利用调节粉末的填充密度与润滑 剂含量来提高粉末材料的成形性。它是介于金属 注射成形与传统模压之间的一种成形工艺。
4.流动温压技术
温压成型技术发展趋势： 预合金化粉末的制造技术； • 新型聚合物润滑剂的设计； • 石墨粉末有效添加技术； • 无偏析粉末的制造技术； • 温压系统制备技术。
温压成型技术应用：
温压技术主要适合生产铁基合金零件。同时人们正在 尝试用这种技术制备铜基合金等多种材料零件。由于温压 零件的密度得到了较好的提高，从而大大提高了铁基等粉 末冶金制品的可靠性，因此温压技术在汽车制造 机械制 造、武器制造等领域存在着广阔的应用前景。
等静压成形
1.粉末预处理
预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂 等。 粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其他杂质的 含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、 稳定粉末的晶体结构 。 筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。 混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均 匀的过程。混合可采用机械法和化学法。 制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以此 来改善粉末的流动性。
动磁压制技术适应性
许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不 添加任何润滑剂,生坯密度均在95%以上。 动磁压制件可以在常规烧结条件下进行烧结, 其力学性能高于传统压制件。 动磁压制适用于制造柱形对称的近终形件、薄 壁管、纵横比高的零件和内部形状复杂的零件。
动磁压制正用于开发高性能粘结钕铁硼磁体与 烧结钐钴磁体。由于动磁压制的粘结钕铁硼磁体密 度高,其磁能积可提高15%-20%。 动磁压制的亚毫秒压制过程有助于保持材料 的显微结构不变,因而也提高了材料性能。对于 象Ｗ、ＷＣ与陶瓷粉末等难压制材料,动磁压制 可达到较高的密度,从而降低烧结收缩率。 目前许多动磁压制的应用已接近工业化阶段, 第一台动磁压制系统已在运行中。